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氢燃料电池汽车技术及发展综述

发布日期:2021-10-13   来源:《变频器世界》21-09期   作者:崔金华 汪伟 杨凤敏 代迪迪   浏览次数:408
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【摘   要】:氢燃料电池归属于新型能源的一种,电池内部通过化学反应进行能量转化产生电能从而驱动汽车行驶,能够做到真正的零污染、零排放。目前世界上主流发达国家在氢燃料电池汽车的研究进度方面都有明显加速。本文首先对燃料电池的工作原理进行了简述,在此基础上进一步分析燃料电池汽车的结构功能特点,揭示了燃料电池汽车具有传统汽车和纯电动汽车的双重优势;分析对比国内外燃料电池汽车的研究现状以及其在发展过程中遇到的尚未突破的瓶颈问题,并对未来燃料电池汽车在国内外的发展趋势做出合理分析。

 

关键词燃料电池;燃料电池汽车;基本原理;现状;规划

Abstract: Fuel cell is a new kind of energy, which converts chemical energy into electric energy through chemical reaction so as to drive cars. It can achieve pollution-free and zero-emission. At present, the mainstream countries in the world are actively promoting the research and promotion of fuel cell vehicles. This paper briefly introduces the working principle of fuel cell, analyzes the structural characteristics of fuel cell vehicles, and reveals that fuel cell vehicles have the dual advantages of traditional vehicles and pure electric vehicles. This paper analyzes and compares the research status of fuel cell vehicles at home and abroad, and reveals the bottleneck problems that have not been broken in the development of fuel cell vehicles. The development trend of future fuel cell vehicles at home and abroad is analyzed.

Key words: Fuel cells; Fuel cell vehicles; Basic principles; Status quo; Planning

 


1  前言

21世纪以来,伴随着经济社会发展和人们平均收入的提高,世界范围内的车辆保有量每年都有比较明显的增幅,由此引发石油资源日益枯竭、环境恶化、海平面升高等问题,引起人们的广泛关注。虽然传统汽车对社会的整体发展进程有着不可避免地负面影响,但是汽车工业融入我们的生活已经长达100多年,即使在飞机、高铁迅猛发展的大环境下,汽车依然是当今社会最便捷的交通方式之一,和我们的生活密不可分。

在这种背景下,我们致力于研发不再使用常规燃料、零排放、零污染的新能源汽车。氢燃料电池汽车是众多新型能源汽车种类中的一种,它利用氢和氧发生的氧化还原反应,将化学能转化为电能作为电机动力源,从而驱动汽车行驶,由于氢燃料电池内部的化学反应最终的产物是H2O,从而实现车辆零排放的终极目标。由于上述原因,目前世界各国都在积极开展燃料电池汽车的相关研究工作。虽然我国氢燃料电池汽车研发起步早,但是规模较小,目前在氢燃料电池汽车方面我国和国际之间尚存在一定差距,因此研究氢燃料电池汽车的基本原理、国内外发展现状、发展阻碍、及发展趋势,对我国燃料电池汽车的发展起到积极的推进作用。

2  氢燃料电池基本技术原理

不同形式的电动汽车对应着不同种类的电池,但是无论电池的形式如何变化,它的本质都是作为汽车的储能装置。而氢燃料电池技术,是它利用氢和氧发生的氧化还原反应,把化学能转化为电能从而驱动车辆行驶。燃料电池主要由以下几种形式:PEMFC、SOFC、MCFC、AFC及PAFC等[2]。本文主要对PEMFC燃料电池工作原理进行分析,如图1所示

                                             

                                                            图1  PEMFC工作原理图

由图1化学反应可知PEMFC燃料电池主要由正负极、质子交换膜、以及电解质和外部电路组成。这种电池最为核心的技术就是电池两极材料的研发,这种特殊材料不仅制造工艺极其复杂,成型之前还需要进行特殊处理。这种电极主要有两个作用:首先,保障氧化剂、还原剂和电解质之间存在较大的接触面;第二,还要对电池的化学反应起催化作用。上述电池具体工作原理:H2被运输至到阳极,在特殊催化剂的作用下H2被分解为H+e-H+穿过质子交换膜到达阴极,而e-则由外部电路流到阳极,与此同时,在阴极的氧化剂(O 2)与由膜穿透而来的H+以及经过外电路传输来的e-结合,从而完成电能转化,其化学反应方程式如下

阳极:H2→2H++2e-

阴极:1/2O2+2H++2e-→H2O

总反应:H++1/2O2→H2O

事实上各类燃料电池的基本原理相同,其他种类工作原理可以参看上述。

3  燃料电池汽车

3.1  燃料电池汽车基本结构

氢燃料电池汽车构成的核心部分由燃料电池模块、驱动电机模块、电机控制器模块、高压储氢罐以及外加辅助动力源和整车控制器等组成。氢燃料电车汽车在结构上和传统汽车差别不大,如图2所示。本质区别仅在于常规电动汽车以普通蓄电池作为车辆动力源,而燃料电池汽车FC作为车辆动力源。供氢系统将车载储氢罐里的氢气输送到FC里与氧气经过一系列电化学反应并产生电能,电能再经过电机控制器中的DC/DC模块,与蓄电池耦合后为驱动电机提供高压直流电能,为汽车提供动力。

 

2  燃料电池组成

3.2  燃料电池汽车主要优势

氢燃料电池汽车几乎接近完美的工作原理是其最大的优势所在。车辆在行驶的过程中,经过动力源的化学反应最终产物为水,不会排放其它有害气体,符合大自然规律,这正是人们向往和追求的。燃料电池汽车的基本性能如表1所示。

 

其次,从车辆动力装置来看,其产生的动力不通过热机过程,不受热力循环限制,基本上没有热释放和热能损失,这样一来其能源转换效率可以达到60%-70%,大约是传统汽车热效率的2-3倍[3]地球上氢资源不仅丰富而且可再生,可供人类取之不尽,用之不竭,这样我们便不会再为能源问题而担忧。

最后,如果燃料电池汽车能够像传统汽车一样盛行,那么我们便能够摆脱长期以来对石油产品的寄托,因为我国有大量的氢准备资源其中比较常见的就是沼气、天然气等可重复利用天然资源。

除上述优点之外,氢燃料电池汽车具有传统燃油汽车超长续航里程和纯电动汽车安静舒适的双重优势。当我们一次性加满氢燃料之后,它的续航里程几乎可以媲美于传统内燃机汽车与此同时还能氢燃料电池汽车可以像常规电动汽车一样,在行驶过程会有极好乘坐舒适性的同时还能兼顾零排放、无污染,一举多得

4  国内外氢燃料电池汽车发展现状

4.1  国外发展现状

截至20199[4]世界范围内燃料电池乘用车制造量累计7000台。而丰田Maria全球共计生产超过6000辆。日本政府继续加大关于氢燃料电池汽车政策服务支持[6]丰田企业在1992制定氢燃料电池研发计划,1996研发出氢燃料电池试验车,2013年推出MIRAI氢燃料汽车并于2017实现量产3000辆;继丰田之后本田推出Clarity氢燃料电池汽车,行驶里程将近750Km有望打破丰田在氢燃料电池汽车的垄断地位,并有望在2020年实现量产[7]

                        

 

 

美国2002年起[5]由上到下各个相关部门都开始大力扶持氢燃料电池汽车产业。比如,福特汽车公司、通用汽车公司、以及韩国现代、日本的日产、丰田等汽车公司都将在美国的加利福尼亚洲参与氢燃料电池汽车示范运行。美国通用汽车公司是世界上最早开始研制氢燃料电池汽车公司之一早在1968通用汽车便研制出全球第一台可以真正运行的氢燃料电池汽车-Seques2015年上海汽车车展时期,通用旗下的这代氢燃料电池汽车隆重亮相,并赢得业内人士的一致好评,这也侧面反映了美国氢燃料电池汽车的技术实力。

4.2  国内发展现状

我国对氢燃料电池汽车的研发与国外略有不同2000年清华研发制造了中国第一辆燃料电池汽车;2001年,北京工业大学与清华大学合作研发了氢燃料电池客车。

随后中国以能源技术和科技核心为出发点,以在国际竞争中争夺氢燃料电池汽车的主动权为目标,国家在863中计划开始大力扶持燃料电池汽车的电池电极质子交换膜相关零部件的研发工作,同时加大力度扶持国内整车研发。投入大量人力物以期待早日解决燃料电池的瓶颈问题,争取尽快搭建完全自主知识产权的燃料电池汽车动力系统平台近期我国在“十三五”规划中将氢燃料电池汽车和加氢站建设列为国家重点扶持对象。

时至今日,经过将近20年的攻坚研发,我国在氢燃料电池汽车制造研发方面取得了较大的进步,比如在2010年上海世博会期间,我们投入运营完全自主研发的氢燃料电池轿车90辆、公交车6辆以及观光旅行车100辆,整个世博会期间这些燃料电池汽车进行了大规模、超负荷、超长时间运行,为氢燃料电池汽车进一步研发改进打下坚实基础[8]。但是和日、美、韩等发达国家相比较我国的氢燃料电池汽车无论是整车制造成本、行驶里程还是加速性能及氢燃料电池的核心技术都有明显差距,其对比如表3、表4所示

 


            



从上表
3可以看出国产氢燃料电池汽车由于电堆功率密度不足,所以在动力类型上只能采用Plug-in型;在燃料电池研究方面国内和国际也有一定差距。

4  氢燃料电车汽车发展阻碍因素

表面看氢燃料电池汽车的研究如茶似火,但是要想真正使氢燃料电池汽车像常规电动汽车一样投入运行,依然存在很多瓶颈问题有待突破。

第一,氢的生产成本比较高,就目前阶段而言,沼气、天然气是制氢的主要源泉。除此之外我们还可以通过电解水使水中的氢氧分离来获取氢,然而这个过程会消耗大量电能,比如我国的电能主要来源于火力发电,而火力发电主要使用煤炭,这样一来不可避免的会产生有害物质的排放造成环境污染,与我们初衷相违背。采用风力或者太阳能发电,受外界环境影响大,不稳定;第二电量成本比较高。使氢燃料电池汽车第一个环节制氢成本增加。还有生产氢燃料电池的工艺目前尚不太完善,材料利用率低,造成一定浪费,从而增加氢燃料电池的成本。除此之外氢燃料电池催化剂会使用贵金属铂(Pt)。现在由于受技术水平的限制,材质铂用量较大且利用率低,从而增加了生产成本。电解质膜主要来源于进口,成本比较高。阴极、阳极,电极板的材料是不透性石墨烯,生产工艺复杂,加工成本高。燃料电池加工成本分类如图4所示

 


               图
4
 目前电池堆成本构成

其次,氢气运输储藏技术体系不完善。燃料氢在储存方面困难,目前技术条件下氢气运输有两种主要方式即气氢输送和液氢输送,然而这两种方式都容易出现泄露。

最后,氢燃料电池汽车投入运行的相关设施不够完善。以我国为例,由于技术尚不成熟、建设成本高、相关手续复杂等原因,以至于经过几十年的发展,时至今日,国内的加氢站仍然无法形成运行规模,这在一定程度上阻碍了氢燃料电池汽车的发展。

5  氢燃料电池汽车的发展趋势

5.1 国外发展趋势

1)美日韩和欧洲国家已经逐渐开始进入商业化运行模式,加大加氢站建设速度。截至2018年底,世界范围内加氢站的数量仅为369座且分布较为集中,主要位于欧洲(152座)、亚洲(136座)和北美(78座),其中美国加州有40座商用加氢站,34座是油氢混合加氢站,日本40%的加氢站属于油氢混合加氢站[9]。目前根据科技前沿国家规划,到2025年世界范围内加氢站数量有望突破1000座,主要国家规划加氢站建设数量如表4所示




2)随着科学技术不断发展、完善,加上研究人员不断地攻坚、探索 ,燃料电池系统的生产成本开始不停下降。由美国汽车产业相关部门提供的数据,可以看到氢燃料电池的使用成本由2006年的124美元/kW到了2015年已经变成了53美元/kW。研究人员发文称到2020年可以实现40美元/kW的目标[10]

3)欧美、日韩这些注重研发新型能源的发达国家,在不久之后将会大力发展氢燃料电池汽车。

5.2  国内发展趋势

目前,国内氢燃料电池汽车发展十分迅速,在京津翼、珠三角等地区已经初步形成示范应用区。在加氢站方面,国家明确规划在建数量达到130座,现有61座加氢站已经完成了建设,其中52座正在投入运营[11]

与此同时,国家能源部门发布了最新的氢能与燃料电池技术创新路线规划图,如表5所示。路线图对我国氢燃料电池汽车的发展做出详细规划,从此之后我国氢燃料电池汽车的发展便真正提上了日程,对我国氢燃料电池汽车的发展提出了详细规划。在我国政府的大力扶持下,未来几十年燃料电池汽车市场会蓬勃发展,此外国家对新能源战略汽车有着明确规划,其中纯电动汽车和氢燃料电池汽车都担负着相当高的使命,在未来一段时间里二者共存,相辅相成。前期阶段以纯电动汽车为主,到2030年开始大规模推广应用氢燃料电池汽车,到2050年中国将争取全面普及氢燃料电池电动汽车,有明显转变。

   




6  结束语


为了解决环境持续恶化、石油资源枯竭等问题,
我们现在普遍开发新型能源,燃料电池作为新能源种类的一种,符合时代发展潮流,可以说燃料电池汽车的发展是势不可挡的。而就目前发展来看我们国家还有很多可以挖掘的潜力,未来应当把燃料电池技术提升至国家发展重点。我们要做好,纯电动汽车和燃料电池汽车同步推进,着眼于国际发展趋势,为未来争夺燃料电池汽车科技主动权做好规划准备,同时,国家相关法律法规应当与时俱进,充分发挥国内资源优势,在前期努力的基础之上集中力量去解决燃料电池汽车的核心技术、突破瓶颈、打破壁垒,争取早日赶超、引领国际先进水平。

 

参考文献:

[1]何奇.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势管窥[J]. 南方农机,2020,51(11):211.

[2].推广氢能及燃料电池汽车的几点思考[J]. 汽车纵横,2020(04):22-25.

[3]李彩球.氢能——引领能源消费革命生力军[J]. 中国电业,2020(09):64-67.

[4]周冰心. 各国抢占先机,氢能谁与争锋?[N]. 新能源汽车报,2020-07-06(010).

[5]冯永忠.丰田Mirai氢燃料电池汽车解析(上)[J]. 汽车维修与保养,2020(07):71-73.

[6]陈睿炜.汽车氢燃料动力电池高新技术研究[J]. 汽车实用技术,2020(11):239-241.

[7]陈睿炜.汽车氢燃料动力电池高新技术研究[J]. 汽车实用技术,2020(11):239-241.

[8]杨铮,韩红梅.我国燃料电池产业发展概述[J]. 化学工业,2020,38(02):21-28+33.

[9]刘政陈.燃料电池新能源汽车的创新分析及研究[J]. 时代汽车,2020(07):80-81.

[10]张玮麟,郎清泉,郑旭.氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置的设计[J]. 电动工具,2020(01):24-27.

[11]吴发乾,李新茹.浅谈氢燃料电池电动汽车布置设计[J]. 交通节能与环保,2020,16(01):14-18.

 

作者简介:
汪伟,男,1984年出生,博士、副教授,研究方向为新能源汽车控制与运用


 
 
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